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Rotierkopf zum Abtasten einer Oberfläche mit einer Sonde Die Erfindung
betrifft einen Rotierkopf zum Abtasten einer Oberfläche mit mindestens einer Sonde,
bestehend aus einem gegenüber der abzutastenden Oberfläche umlaufenden Rotierteil,
in das die Sonde benachbart zur Oberfläche eingebaut ist, aus einem nicht umlaufenden
Statorteil, aus einem Antrieb, der die umlaufende Bewegung zwischen Rotier- und
Statorteil erzeugt, aus einer Rotier- und Statorteil miteinander verbindenden Lagerung
und aus mindestens einem Rotierübertrager zum elektrischen Anschluß der rotierenden
Sonde an eine elektrische Prüfeinheit.
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Derartige Rotierköpfe sind in der Meß- und Prüftechnik in verschiedenen
AusfUhrungen und mit verschiedenartigen Sonden ausgestattet bekannt. Ihre Aufgabe
besteht darin, in der abgetasteten Oberfläche Fehler, wie Risse, Kerben, Lunker
und dgl. oder Formabweichungen zu ermitteln und nach Lage und Größe zu bestimmen.
Dabei können Je nach Anwendungszweck Wirbelstrom-, Streufluß-, Ultraschallsonden
u.a.m., oder auch Kombinationen der genannten Sonden eingesetzt werden. Bei den
abzutastenden Oberflächen handelt es sich bevorzugt um zylindrische Flächen, wie
die Umfangsfläche von Stangen, Drähten und dgl., oder der Innenfläche von Bohrungen,
aber auch zuweilen um ebene F1ächen. In den erstgenannten Fällen erfolgt die Abtastung
im allgemeinen in spiraligen Bahnen, indem der umlaufenden
Bewegung
des Rotierteiles eine lineare Relativbewegung des Rotierkopfes in axialer Richtung
überlagert ist. Bei der Abtastung ebener Flächen kann eine Relativbewegung des Rotierkopfes
parallel zur Abtastfläche vorgesehen sein.
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Bei den bisher gebräuchlichen Rotierköpfen zum Abtasten der Umfangsfläche
von Rundmaterial wird üblicherweise die Umlaufbewegung über Keilriemen auf den außen
laufenden Rotierteil übertragen. Da neben der zu übertragenden ltotation auch senkrecht
zur Rotierachse gerichtete Spannkräfte zur Wirkung kommen, ergibt sich zuweilen,
insbesondere bei kleinen Abtastdurchmessern, die Neigung zu mechanischen Schwingungen,
die sich störend auf die Meß-oder Prüfergebnisse auswirkt. Häufig sind auch hohe
Umlaufgeschwindigkeiten erwünscht, um bei hohen axialen Geschwindigkeiten des Prüfgutes
zu einer möglichst dichten Abstastung, d.h. möglich engen Abtastsplralen zu kommen.
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Bei einer ZufUhrung der mechanischen Bewegungsenergie von der Seite
her ist Jedoch die Umlaufdrehzahl nach oben hin stark begrenzt.
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Zum Abtasten der Innenflächen von Bohrungen wird die Rotationsenergie
i.a. über Kardangestänge zum im Inneren der Bohrung sich befindenden Rotierkopf
gefUhrt. Dabei ergeben sich unerwünscht niedrige maximal mögliche Umlaufdrehzahlen.
Bei kleinen Innendurchmessern und großen Rohrlängen ist ein Kardanantrieb ohnehin
nicht mehr möglich, so daß der Wunsch entstand, den Antrieb ins Rohrinnere zum Rotierkopf
zu verlegen. Ähnliche Überlegungen gelten bei der Abtastung des Bodens von Sacklöchern.
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Aufgrund des Gesagten stellt sich die Erfindung einen Rotierkopf der
eingangs beschriebenen Gattung zur Aufgabe, der für die genannten Fälle eine einheitliche
Antriebskonzeption aufweist, relativ hohe Umlaufdrehzahlen möglich macht, kleine
Abtastdurchmesser erlaubt, sich mit geringem Aufwand an Antriebsenergie begnügt
und einen
ruhigen, schwingungsfreien Lauf gewährleistet. Darüber
hinaus soll der Rotierkopf auch bei großen Rohrlängen und leicht gekrümmten Rohren
die Abtastung der Inneifläche von Rohren ermöglichen. Bei der Bearbeitung dieser
Aufgabe erwies es sich als ratsam, den Antrieb möglichst nahe an den Rotierkopf
heran oder gar in den Rotierkopf hinein zu verlegen. Hier bot es sich zunächst an,
als Antrieb, ähnlich wie bei zahnmedizinischen Gerätschaften, Druck-Iuftturbinen
zu wählen. Bei näheren Untersuchungen erwies sich jedoch diese Antriebsart als nicht
geeignet, weil es nicht gelang, in Jedem Fall zu ausreichend konstanten Drehzahlen
zu kommen.
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Als Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich erfindungsgemäß ein
Rotierkopf nach Patentanspruch 1. Dieser weist gegenüber den bisher gebräuchlichen
Rotierköpfen eine Reihe wichtiger Vorteile auf. Wegen des Fehlens von Kraftübertragungsgliedern
wie Keilriemen, Kardangestänge und dgl. und wegen der einfachen Lagerung bleibt
der Energiebedarf für den Antrieb gering. Eine Konstruktion mit kleinen Abmessungen
wird möglich, so daß auch das Innere von Rohren bis herunter zu Bohrungsdurchmessern
von ca. 6 mm für Abtastung zugänglich gemacht wird. Die Antriebsenergie kann über
Kabel zusammen mit den Anschlußzuleitungen für die Sonden leicht auch in längere
und leicht gekrümmte Rohrstücke hinein geleitet werden, während Sondenzuleitung
und Kardanantrieb häufig schwer miteinander in Einklang zu bringen waren. Durch
den einfachen, massearmen Aufbau werden hohe Drehzahlen möglich, bleiben Schwingungsprobleme
ausgeschlossen. Bedeutsam ist auch, daß sich in gleicher Weise Rotierköpfe sowohl
für die Abtastung der Innenfläche von Bohrungen, als auch für die Außenabtastung
von Rundmaterial, als auch schließlich für die stirnseitige Abtastung ebener Flächen
bauen lassen.
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Eine wertvolle Ausgestaltung erfährt die Erfindung dadurch, daß man
die Lagerung in zwei oder mehr Luftgleitlagern bestehen läßt, die die zwischen Rotierteil
und
Statorteil in radialer wie auch in axialer Richtung wirkenden
Kräfte berührungsfrei aufnimmt, so daß sich ein praktisch reibungsfreier Lauf ergibt.
Weitere Ausgestaltungen sind in Unteransprüchen angegeben.
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Im folgenden soll die Erfindung mit einigen Ausführungsbeispielen
an Hand von Figuren näher erläutert werden.
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Die Figuren zeigen im einzelnen: Figur 1 einen Rotierkopf mit innen
laufendem Rotierteil zur Bohrungsabtastung Figur 2 einen Rotierkopf mit außen laufendem
Rotierteil zur Bohrungsabtastung Figur 3 einen Rotierkopf mit innen laufendem Rotierteil
zum Abtasten von Rundmaterial Figur 4 einen Rotierkopf ähnlich dem von Figur 3 zum
stirnseitigen Abtasten ebener Flächen.
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Figur 1 zeigt im Schnitt einen für die Innenabtastung von Bohrungen
geeigneten Rotierkopf 10, dessen Hauptbestandteile ein Rotierteil 11 und ein Statorteil
12 darstellen. Obwohl ansich auch andere gute Gleitlager benutzt werden können,
werden im vorliegenden Falle wie auch bei den übrigen Beispielen zwei Luftgleitlager
für die Lagerverbindung zwischen Rotierteil und Statorteil vorgesehen, weil die
Vorteile dieser Lagerung für den von liegenden Zweck auf der Hand liegen.
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Der pilzförmige Rotierkörper 13 des Rotierteils 11 befindet sich mit
seinem Schaft 14 im Inneren des Statorteils 12 und weist eine axiale Bohrung 9 auf.
Der Kopf 15
des Rotierkörpers 13 tritt an seinem Umfang leicht zurück
gegenüber dem Umfang des Statorteils 12. In die Bohrung 16 des Kopfes 15 ist eine
Sonde 17 eingesetzt, im Falle unseres Beispiels eine Wirbelstromsonde zum Ermitteln
von Fehlern in der abzutastenden Bohrung des nicht dargestellten Prüfteils. Sonde
17 ist der besseren Darstellbarkeit wegen axial um 90° versetzt gezeichnet und besteht
aus einem Ferritkern 18, einer Erregerwicklung 19 mit den Anschlüssen 20 und einer
8-förmig um die beiden Vorsprünge 21 an der Spitze des Ferritkernes 18 geschlungenen
Empfängerwicklung 22 mit den Anschlüssen 23. In die Außenseite des Schaftes 14 sind
die beiden Rotoren 26 und 27 zweier Rotierübertrnger 28 bzw. 29 eingebaut. Die beiden
Rotoren besitzen seweils ringförmige Ferritkerne 30 und 31 mit U-förmigem Profil,
in das Rotorwicklungen 32 bzw. 33 mit Anschlüssen >4 bzw. 35 eingebettet sind.
Die Anschlüsse 34 des Rotors 26 sind mit den Anschlüssen 20 der Erregerwicklung
19 verbunden, während die Anschlüsse 35 des Rotors 27 mit den Anschliissen 23 der
Empfängerwicklung 22 verbunden sind. An der Rü.ck seite des Schaftes 14 befindet
sich der Anker 37 eines Drellstrominduktionsmotors 38, auf den ebenso wie auf die
Rotler.-übertrager 28 und 29 später noch näher eingegangen wird.
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Der Statorteil 12 besitzt als tragendes Konstruktionselement einen
im wesentlichen zylindrischen Statorkörper 41 mit einer durchgehenden Bohrung 42,
in die der Stator 39 des Motors 38, dem Anker 37 stirnseitig gegenüber liegend,
eingebaut ist. Ein Stutzen 43 dient zum Anschließen eines Druelluftschlauches 44,
durch den die für die Luftgleitlager benötigte Druckluft herangeführt wird und durch
den auch die elektrischen Anschlußleitungen des Rotierkopfes 10 verlegt; sind. Druckluftschlauch
44 ist durch eine Schlauchklemme 4t am Stutzen 43 gesichert. Bohrungen 46 ermöglichen
den Zut;r1-l;t der Druckluft gemäß Pfeil 47 in die Kammer 48, die nach auen durch
ein Rohr 49 abgeschlossen ist. Die die Lagerung bewirkenden BuStpolater werden hergestellt
durch zwei über den inneren Umfang der Statorbohrung 42 verteilte Kränze von Düsen
50 und 51, die rückseitig mit der Kammer 48 verbunden sind.
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Die Wirkungsweise der Luftgleitlager 52 und 53 ist die folwende. Die
aus den Düsen 50 ausströmende Druckluft bildet ein Luftpolster zwischen der Statorbohrung
42 und den Außenflächen des Rotorschaftes 14, aber auch zwischen den planen St;irnflächen
55 und 56 von Anker 37 bzw. Stator 39 des Elekpromotors 38. Durch die Bohrung 9
des Schaftes 14 fließt die Druckluft gemäß den Pfeilen 57 nach außen ab. Durch die
ttUS den Düsen 51 ausströmende Druckluft wird ein weiteres I,uftpolster zwischen
Statorbohrung 42 und Außenfläche des lioorschaftes 14 aufgebaut, aber auch ein Luftpolster
zwischen der rückseitigen Stirnfläche des Kopfes 15 und der dieser gegrenüberliegenden
Stirnfläche von Statorkörper 41 und Rohr 49. Die überschüssige Druckluft entweicht
gemäß den Pfeilen 58 ins Freie. Durch das rasche Ausströmen der Luft an den Stirnflächen
entsteht zwischen diesen ein leichter Unterdruck, der Rotierteil 11 und Statorteil
12 solange in axialer Richtung zusammenzieht bis sich ein Gleichgewichtszustand
eingestellt hat. Auf diese Weise können alle im Normalfall zwischen Rotier- und
Statorteil auftretenden radialen und axialen Kräfte weich von der Luftlagerung aufgenommen
werden.
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Als Antrieb hat sich im vorliegenden Fall ein Gleichstrommotor wegen
des vom Kollektor ausgehenden Störeinflusses nicht bewährt. Es wurde deshalb ein
Drehstrominduktionsmotor 38 vorgesehen. Grundsätzlich kann ebenso ein Sychronmotor
benutzt werden, etwa mit Permanentmagneten für die Gleiohfelderregung des Ankers.
Dabei wird jedoch normalerweise eine Anlaufhilfe erforderlich. Der Stator 39 des
in unserem Fall gewählten Induktionsmotors 38 besitzt drei stern- oder dreieckförmig
zusammengeschaltete Polspulenpaare mit Anschlüssen 60. Auch der Anker 37 ist in
bekannter Weise aufgebaut und besteht im wesentlichen aus kurzgeschlossenen Induktionsleiterne
Diese sind wie auch die Polschuhpaare des Stators 39 in Kunstharz vergossen, so
daß plane Stirnflächen 55 und 56 entstehen, die sich parallel gegenüber liegen,
Die
beiden Rotierübertrager 28 und 29, deren Rotoren 26 und 27 schon zuvor beschrieben
worden sind, dienen unter Vermeidung störanfälliger Schleifringe in bekannter Weise
dazu, die Wicklungen der rotierenden Sonde 17 an die PrUfelektroriik anzuschließen.
Zu diesem Zweck stehen den Rotoren 26, 27 Statoren 61, 62 mit U-Profilringkernen
63, 64 gegenüber, iii die Statorwicklungen 65, 66 eingebettet sind. Auf diese Weise
sind diebeidenWicklungen 32 und 65 durch den für beide gelneinsamen Magnet fluß
in den Kernen 30 und 63 so miteinander verkoppelt, daß ein hier nicht dargestellter
Wechselstromgenerator der Prüfelektronik über die Klemmen 67 des Stators 61 von
Rotierübertrager 28 einen Brregerstrom in die Wicklung 19 der Sonde 17 einspeisen
kann. In gleicher Weise is-t Silber die Anschlüsse 68 des Stators 62 von Rotierübertrager
29 eine Auswerteschaltung der Prüfelektronik an die EAnpfängerwicklung 22 der Sonde
17 angeschlossen.
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Die Sonde 17 arbeitet folgendermaßen. Ein in Erregerwioklurig 19 fließender
Wechselstrom hat ein magnetisches Wechselfeld zur Folge, das aus der Spitze von
Kern 18 heraustritt, die der Spitze des Kernes gegenüber liegende Oberfläche des
nietallischen Prüfteils durchdringt und in diesem Wirbelströme hervorruft. Die Wirbeiströme
erzeugen ihrerseits Magnetfelder, die auf die Empfängerwicklung 22 der Sonde zurückwirken.
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Bei fehlerfreien Prüfteiloberflächen sind die in den beiden Hälften
der 8-förmigen Wicklung 22 induzierten Spannungen gleich und heben sich heraus,
Tastet die Spitze der Sonde 17 über einen Fehler hinweg, so wird dieser erst eine
Flußänderung im ersten, danach im zweiten der beiden Vorsprünge 21 hervorrufen.
Eiftsprechend wird erst in der ersten Hälfte der Wicklung 22, dann in der zweiten
ein Spannungsimpuls induzielt. Diese Spannungsimpulse werden von der an die Anschlüsse
68 des Rotierübertragers 29 angeschlossenen Auswerteschaltung in bekannter Weise
als Fehlersignale weiterverarbeitet.
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Rotierkopf 70 nach Figur 2 ist ähnlich aufgebaut wie Rotierkopf 10,
jedoch befindet sich der Rotierteil 71 voll außerhalb
des Statorteils
72. Die im Rotorkörper 73 eingebaute Sonde 74 entspricht in Aufbau und Wlrkungsweise
der Sonde 17.
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In die Bohrung 75 des Rotorkörpers 73 sind der Reihe nach eingeschoben:
der Rotor 76 effnes RotierUbertragers 77, ein 1l1rennring 78, der Rotor 79 eines
Rotierübertragers 80, ein äußerer Lagerring 81 des Lagers 82 sowie der Anker 83
eines J)rehstrominduktionsmotors 84. Statorkörper 85 des Statorteils 72, der mit
einer Fahrungsspitze 86 ausgestattet ist, wird wie bei Rotierlcopf 10 über einen
Schlauch 44 mit einer 1)ruckluftquelle verbunden. Auf den Schaft 87 des Rotorkörpers
85 sind der Reihe nach aufgeschoben: der Stator 88 des Rotierübertragers 77, ein
Trennring 89, der Stator 90 des Rotierübertragers 80, ein innerer Lagerring 91 mit
einem Kranz von Düsen 92, die über Bohrungen 93 und 95 mit Druckluft versorgt werden,
sowie der Stator 94 des Indulztionsmotors 84. Beim letzteren stehen sich Stator
und Anker radial gegenüber, Zwischen der ruchçärtigen Stirnseite des Ankers 83 und
der dieser gegenüberliegenden Fläche des Statorkörpers 85 wird ein Luftpolster zur
Aufnahme axialer Kräfte gebildet, während zwischen den einander zugewandten Flächen
der Lagerringe 81, 91 sich ein Luftpolster zur Aufnahme raradialer Kräfte befindet.
In entsprechender Weise arbeitet LuftgÄeitlager 97, das einen Kranz von Düsen 98
aufweist.
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Rotierkopf 100 nach Figur 3 besitzt wiederum einen im Inneren eines
Statorteils 102 laufenden Rotierteil 101, dessen Rotorkörper 103 mit einer Bohrung
104 versehen ist. Die letztere ist zum Durchlauf von Rundmaterial bestimmt, z.B.
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der Welle 105, die dabei von der wie die vorherbeschriebene Sonde
10 aufgebauten Sonde 106 an ihrem Umfang abgetastet wird. Die Rotierübertrager 107,
108, der Antriebsmotor 109, sowie die beiden Luftgleitlager 110, 111 können in allen
Einzelheiten gleich aufgebaut sein wie die entsprechenden Bauteile des vorher beschriebenen
Rotierkopfes 70. Die Düsen 112 und 113 der Lager 110 und 111 sind rückseitig verbunden
mit einer in Statorkörper 117 eingelassenen Luftkammer 114, die nach außen hin abgeschlossen
ist durch ein Rohr 115 und die durch eine Öffnung 116 im Rohr mit Druckluft versorgt
wird.
Rotorkörper 103 ist am rückwärtigen Ende gegen Herausfallen gesichert durch einen
Gewindering 119. Ist mit starken Kräften in axialer Richtung zu rechnen, so kann
zu-Pjatzlich auf den beiden Stirnseiten des Statorkörpers 117 je ein in axialer
Richtung wirkender Düsenkranz vorgesehen arerdenJ der ebenfalls aus der Luftkammer
114 gespeist wird.
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Durch Flanschring 118 kann Rotierkopf 100 in einem nicht dargestellten
Rahmen aufgehängt werden.
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Rotierkopf 120 unterscheidet sich von dem zuletzt beschriebenen Rotierkopf
100 im wesentlichen nur durch die Anordnung der Sonde 121, die an der Stirnseite
122 des Rotorkörpers 123 von Rotorteil 124 eingebaut ist, um eine Abtastung der
ebenen Oberfläche 125 des Prüfteils 126 zu ermöglichen.
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In einer einfachen, zeichnerisch nicht dargestellten Variante zum
Rotierkopf 120 werden axiale Kräfte nicht wie bei den bisher beschriebenen Rotierköpfen
von Luftpolstern'aufgenommen, die sich zwischen gegenüberliegenden Stirnflächen
von Rotierteil und Statorteil ausbilden, sondern von einem zwischen Stirnseite 122
des Rotorkörpers 123 und der Irtiftelloberfläche 125 befindlichen Lustpolster. Ein
solches kann durch einen an der Stirnseite 122 im Rotorkörper 123 angeordneten Düsenkranz
ausgebildet werden, der durch eine Bohrung in der Mittelachse des Rotorkörpers mit
Druckluft gespeist wird. Die bisherige axiale Lagerung am oberen Ende des Rotierkopfes
entfällt. Es wird jedoch notwendig, den Rotierkopf in gleichbleibendem Abstand zur
Oberfläche 1 25 u halten. Das kann geschehen indem sich der Rotierkopf 120 dch am
Statorteil 127 befestigte Kufen oder Rollen auf die 0}>erfläche 125 abstiltz-t
Es ist leicht einzusehen, daß Kombinationen der beschriebenen Anwendungsfälle möglich
sind. So kann der Rotierkopf 10 nach Figur 1 mit einer zusätzlichen Stirnsonde ausgestattet
sein, um gleichzeitig Wand und Boden eines Sackloches abzutasten.
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Die Einsatzmöglichkeiten der beschriebenen Rotierköpfe lassen sich
wesentlich erweitern, wenn man die Rotierteile der liotierköpfe austauschbar vorsieht.
An Rotierkopf 70 nach Figur 2 kann z.B. die Fü.hrungsspitze 86 abschraubbar gestaltet
ucin. Durch Austausch von Rotierteil 71 und Führungsspitze 86 kann die Sonde in
kürzester Zeit an unterschiedliche Bohrlulgsdurchmesser angepaßt werden, ohne daß
dabei elektrische Steckverbindungen betätigt werden müssen. Ebenso läßt sich nach
Lösen des Gewinderinges 119 der Rotierkopf 100 von Figur 3 durch Austausch des Rotierteils
101 an unterschiedliche Prüfteildurchmesser anpassen.